1960-2019年浙江省气象干旱时空演变特征研究

涂玉虹，刘进宝，吕振平，厉 莎，曾 瑜，姚悦铃

(1.浙江同济科技职业学院 水利工程学院，浙江 杭州 311231；2.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009)

干旱是指某一地区水分条件较当地正常情况持续性偏少的异常气象水文现象[1]，干旱灾害给国民经济带来了巨大的损失。积极应对干旱灾害，增强抗旱减灾能力，是农业生产乃至人民生活、经济社会发展的重要保障[2]。对干旱事件进行精准识别，深入认识干旱特征，探究干旱时空分布并掌握其发展演变规律，有利于提前预警，对抗旱规划和抗旱预案的编制具有积极的科学指导意义[3-4]。

干旱事件通常表现出显著的时空异质性和时空耦合特性[4]。传统的干旱特征分析研究主要针对干旱在空间或者时间维度上独立的演变情况，将时空尺度进行割裂，耦合时间与空间维度的三维时空动态演变特征的研究是新的研究热点[5]。近年来，越来越多的研究开始从三维时空视角对区域干旱进行识别和分析。Xu等[6]提出三维聚类识别法并将其应用于中国西南地区干旱事件识别中。Zhou等[7]提出了一种基于空间拓扑关系研究气象干旱迁移特征的新方法，探讨气象干旱的迁移轨迹特征。冯凯等[8]基于三维干旱识别方法分析干旱时空连续动态演变特征。邓翠玲等[9]将图像三维连通性识别方法应用于长江流域气象干旱事件的识别，并探索其发展演变规律。

近年来,一些学者针对浙江省气象干旱开展研究[10-13]，然而尚未从时空三维视角出发进行干旱识别，割裂时空尺度，导致难以精确描述干旱事件发展与演化机理，因此有必要对浙江省多年时间序列内的干旱事件进行三维可视化，解析整体时空分布格局和每场干旱过程在时空维度交织下的变异特征。

笔者运用时空连续的三维识别方法，将空间与时间上相连贯的干旱格点聚集形成干旱体结构，通过绘制三维阈值等值面来提取干旱事件，在三维时空下完整识别浙江省1960—2019年不同等级的气象干旱事件并探究其整体三维时空分布格局，进而建立包括干旱强度、干旱时空质心、干旱时空迁移速率等时空演变特征变量，展现干旱事件各年代的空间分布格局，从趋势性角度解析干旱时空演变特征规律，有利于水利部门科学研判旱情及发展演变趋势，以期为浙江省旱灾防治措施的制定提供依据。

1 研究方法

1.1 干旱指标选取

笔者选用标准化降水指数SPI指数进行干旱识别，该指标时间尺度灵活，时空可比性强，可消除降水时空差异，适用于干旱时空变化规律的研究[14]。

目前，一般基于游程理论进行干旱识别，选定一个干旱指标阈值，若干旱指标超过阈值就被认定属于干旱[14]。国家气候中心制定的《气象干旱等级标准》中规定了干旱等级，判定SPI<-0.5的格点为干旱格点[15]，可根据阈值-0.5，-1，-1.5,-2，依次提取轻旱、中旱、重旱、特旱4个不同等级的干旱事件。

1.2 时空连续的三维干旱识别方法

干旱事件一般具有一定的持续时间和影响范围，在时间、空间维度均连续。在干旱识别中，无论是在特定区域内识别干旱的起止时间，还是在特定时段内识别干旱的影响区域，均存在着割裂时空维度的缺陷，无法时空连续地识别和表征干旱事件随时空变化的动态演变情况[16]。为此，这里将干旱的演化视为一个经度、纬度与时间维度的三维连续体，通过构建三维干旱体结构，完整识别提取干旱事件，模拟干旱发展演变过程，从不同视角观察干旱事件的时空动态变化。下面详细说明三维干旱体结构的构建过程：

1) 二维干旱斑块演变

干旱事件是一种动态演变的地理现象，它随着时间的推移会在不同区域里出现、迁移、扩大、缩小或消失。筛选出各时刻SPI值小于阈值-0.5的干旱斑块，标记为灰色，干旱斑块的几何形状时刻会发生变化，以某一场干旱事件为例，t1～t8时刻二维干旱斑块的演变过程示意图见图1。对二维干旱斑块的演变情况进行分析，干旱事件从t1时刻开始至t8时刻结束，t1时刻产生了四个分散的干旱斑块，在t2时刻干旱范围扩大，合并为一块，t3时刻分离为两块，t4时刻研究区域左上角的干旱斑块消失，另一块范围缩小，t5时刻范围继续缩小，t6时刻范围开始扩大，且区域上方又出现了一个新的小干旱斑块，t7时刻两个干旱斑块合并为一块，t8时刻向区域右下方迁移。在干旱发展过程中，干旱斑块在空间上经历了合并—分散—消失—缩小—扩大等演变过程。再将每一场干旱事件中的二维干旱斑块增加时间维度属性，按照(图1)时间发生先后顺序t1～t8在时间轴上进行串联。

图1 干旱事件二维干旱斑块演变示意图

2) 三维干旱体结构构建

将地质学研究领域应用较多的Voxler平台应用于干旱识别领域[17]。通过在三维时空中绘制形状不规则的干旱指标阈值等值面，将空间与时间上相连通的干旱格点进行聚类和包裹。三维干旱体结构由每个阈值等值面及内部的干旱格点构成，分别构建每一场干旱事件对应的三维干旱体结构，并在时间轴上按照发生时间先后顺序进行串联，依次提取出所有干旱事件。运用该方法，可根据阈值为-0.5,-1,-1.5,-2的等值面，依次提取轻旱、中旱、重旱、特旱4个不同等级的干旱事件，对应示意图如图2所示。

图2 不同等级的三维干旱体结构示意图

该场干旱事件开始于t1时刻结束于t8时刻，不同等级的干旱体结构层层包裹，最内层的结构为特旱等级的干旱体结构，阈值等值面为SPI=-2。往外层依次为重旱、中旱和轻旱，其中SPI=-2和SPI=-1.5两个阈值等值面之间的结构区域为重旱，SPI=-1.5和SPI=-1两个阈值等值面之间为中旱，SPI=-1和SPI=-0.5两个阈值等值面之间为轻旱。干旱体结构提取法的空间经纬度坐标、研究时期长短可以随意变化，干旱阈值也可以任意选取，对不同等级的气象干旱事件进行完整识别，具有较强的时空灵活性和适应性。

1.3 干旱时空演变特征变量

采用干旱历时、干旱面积、干旱烈度、干旱强度、干旱时空质心、干旱时空迁移速率等6项干旱时空演变特征变量[16]，来探究一定时间范围内某区域连续性干旱事件的时空演变特征与规律。

1) 干旱历时Da：第a场干旱事件的持续时间，月。

2) 干旱面积Aa：第a场干旱事件的实际影响范围，即干旱体投影面积，km2。

3) 干旱烈度Sa：反映第a场干旱事件的整体缺水程度，即干旱体质量，km2·月，计算公式为

(1)

式中：SPIa(i)为第a场干旱事件中第i个干旱格点的SPI值(i=1,2,…,k)；S0为干旱指标阈值；area为每个干旱斑块的面积,km2；time为时间步长，取1个月。

4) 干旱强度Ia：为了度量第a场干旱事件中平均缺水程度，即干旱体密度，将干旱烈度与干旱面积与干旱历时乘积的比值定义为干旱强度，计算公式为

(2)

式中：Aa为第a场干旱的干旱面积，km2；Da为第a场干旱的干旱历时，月。

5) 干旱时空质心Ca：表征一场干旱事件在三维时空中集中发生位置，即干旱体质心坐标[9]，坐标为(Xa,Ya,Ta)，对干旱烈度值进行加权可求得，计算公式分别为

(3)

(4)

式中：Sim为第a场干旱事件中第m个月第i个干旱格点的烈度值；xim,yim分别为第m个月第i个干旱格点的经度、纬度坐标；Xa,Ya为第a场干旱时空质心的经度、纬度坐标，(°)；ta为干旱时空质心时间坐标，月；Ta由ta转换而来，年；yeara、montha分别为第a场干旱事件发生的年份和月份。

6) 干旱时空迁移速率(va，km/年)：表征干旱体在三维时空坐标系中移动速率快慢，可由从第a场到第a+1场干旱事件的干旱时空质心沿经纬度方向移动的空间距离与其时间坐标差之商来计算,其计算式分别为

(5)

ΔYa=110.94×(Ya+1-Ya)

(6)

ΔTa=Ta+1-Ta

(7)

(8)

式中：ΔXa,ΔYa为从第a场到第a+1场干旱事件干旱时空质心沿经度、纬度方向迁移的距离，km；ΔTa为两场干旱事件的干旱时空质心时间坐标之差，年。

2 浙江省气象干旱时空演变特征研究

2.1 研究区域与数据

笔者研究区域为浙江省，位于中国东南沿海地区，介于东经118°01′～123°10′，北纬27°02′～31°11′，属亚热带季风气候区，河流水系众多，多年平均降水量为1 100～2 400 mm，降水时空分布不均匀[18]。浙江省干旱灾害比较频繁，据资料统计，1949—2004年浙江省发生较明显干旱的有31年[19]。

经过合理筛查，笔者采用浙江省44个雨量站点1960—2019年的逐月降水观测资料，选取的雨量站点覆盖各市，具有较好的代表性，浙江省雨量代表站点如图3所示。通过空间内插，把离散的气象台站资料转变成规则的0.25°×0.25°格点数据，浙江省地理高程及研究格点数据空间分布如图3所示，研究网格覆盖了整个研究区域。

图3 浙江省地理高程及研究格点数据空间分布图

2.2 浙江省气象干旱事件识别

用干旱体结构提取法识别浙江省1960—2019年不同等级的气象干旱事件，可知干旱历时不少于3个月的干旱事件有51场，浙江省各年代气象干旱事件数量见表1，1960—1969年和2000—2009年干旱事件频繁发生。在720个月中，共有339个月发生了干旱，占比约47.1%。浙江省分别在1963，1964，1967，1971，1978，1979，1986，1988，2003—2005，2011年发生的干旱事件干旱强度大，持续时间长，覆盖范围广，属于典型干旱事件，该结果与浙江省历史干旱灾情记录，以及金新芽等[12]研究结果基本吻合，表明时空连续的三维干旱识别方法对浙江省具有较好的适用性。对干旱季节进行统计，发现67个月发生了春旱，101个月发生了夏旱，99个月发生了秋旱，72个月发生了冬旱，可知夏旱发生频率最高，其次为秋旱。

表1 浙江省各年代识别的气象干旱事件数量

2.3 浙江省气象干旱事件时空演变特征分析

2.3.1 干旱三维时空分布格局

将研究时期1960—2019年分为6个年代，分析浙江省干旱事件的时空分布格局，以三维干旱体结构可视化展现浙江省干旱事件，观察阈值等值面的三维轮廓边界可以明确不同等级干旱事件的发生范围与时空分布。各年代干旱事件的干旱体结构时空分布格局见图4，图中颜色渲染表示干旱指标SPI值大小，颜色越深表示该时空区域内旱情越严重。

图4 1960—2019年各年代干旱体结构时空分布格局(图中年月数据为根据干旱体结构提取法得到的每场干旱的发生与结束时间坐标)

干旱体结构时空分布格局直观地展现了1960—2019年浙江省旱情，浙江省分别在1963，1965，1967，1971，1978，1979，1986，1988，2003—2005，2011年发生了典型干旱事件，干旱体体积较大，内部区域颜色较深，表明旱情较为严重。20世纪60年代区域整体偏旱，面积大、强度高的干旱事件常有发生。20世纪70年代前期旱灾发生依旧较为频繁，但1974年以后旱情得以缓解，以干旱面积较小的小范围干旱事件居多，一直到1978年以后才有强度较大的全域性干旱事件发生。20世纪80年代旱灾依旧频繁发生，影响面积较大，但是干旱事件的持续时间相比之前明显缩短，说明旱灾的响应机制正在不断完善。20世纪90年代旱情得到一定的缓解，前期旱灾发生较少，且影响范围与持续时间较小，1995—1997年间有较严重的干旱发生。进入21世纪以后旱情又加重，2000—2009年干旱体数量增多，干旱事件发生相对较为频繁，尤其是2003—2005年旱情较为严重，持续时间较长，影响范围大；在2010—2009年干旱事件数量减少且强度不大，旱情得以缓解，与樊高峰等[19]研究结论较为吻合。

2.3.2 干旱各年代空间分布格局

为揭示干旱各年代空间分布格局，使用克里金插值法展现6个年代内干旱年SPI平均值的空间分布格局与干旱时空质心分布图如图5所示。将干旱时空质心在研究区域平面上进行投影，用黑色圆球表示干旱时空质心的地理位置，圆球的大小表示该场干旱事件的干旱烈度，展现了各年代每一场干旱事件主要集中区域的空间位置分布以及干旱烈度的变化。

分析SPI平均值空间分布可知，各年代干旱分布格局有所差异，用黑圈标记干旱严重区域。20世纪60年代干旱严重区域主要分布于浙江省东北部，其中宁波市和舟山市等滨海区域，以及金华和杭州交界处较严重；20世纪70年代旱情得到了一定的缓解，干旱严重区域向西南方向转移，丽水市和金华市较为严重；20世纪80年代干旱继续向周边的衢州市和台州市等城市扩散，浙江南部地区旱情相对比较严重；20世纪90年代干旱分布空间格局未发生显著变化，丽水市和金华市依旧相对严重，衢州市旱情也较严重；进入21世纪以后，干旱严重区域向东北方向转移，2010年以前嘉兴市、宁波市和绍兴市整体旱情严重，而2010—2019年旱情整体得到了缓解，干旱继续向西南方向转移，衢州市、丽水市和温州市范围内均出现了旱情。从整体上看，1960—1969年和2000—2009年干旱严重区域主要分布在浙江省东北部，1970—1999年和2010—2019年间干旱严重区域主要集中于浙江省西南部地区。

研究干旱时空质心的迁移方向和趋势，经过对比发现，各年代干旱严重区域的转移方向与干旱时空质心的迁移趋势大致吻合，干旱时空质心基本位于干旱严重区域对应的黑圈范围内。

2.3.3 干旱时空演变趋势性分析

为了量化干旱事件三维时空分布格局，解析1960—2019年干旱时空演变特征的整体趋势变化，分别对干旱历时、干旱强度、干旱面积、干旱时空迁移速率、干旱时空质心经纬度的历史时间序列进行趋势性分析，绘制整体变化趋势线如图6所示。图中的R是趋势拟合程度指标。观察上述特征的多年变化特征可知，浙江省干旱历时和干旱面积均呈现下降趋势，干旱强度轻微下降，表明浙江省干旱事件整体轻微减弱，旱情逐渐缓解，持续时间缩短，且区域影响范围也逐渐缩小，干旱体结构外形呈现出逐渐缩小的趋势。干旱时空迁移速率整体呈上升趋势，在2010年前较为平稳，变化幅度不大，2020年后干旱时空迁移速率加快。干旱时空质心的经度和纬度坐标整体上均呈增大趋势，表明1960—2019年浙江省干旱整体上有逐渐向东北方向迁移的趋势。

结合2.3.1节的干旱事件三维时空分布格局进行分析，在20世纪60年代和21世纪以后浙江省干旱强度相对较强，大多在平均线以上，20世纪70年代干旱强度显著减小，干旱面积下降，20世纪70年代末从干旱期转入湿润期，20世纪80—90年代干旱历时相比之前缩短，干旱强度较弱。步入21世纪以后，浙江省各等级干旱事件频发，干旱强度呈增加趋势，干旱强度和面积波动较大。

3 结 论

应用时空连续的三维干旱识别方法，完整提取浙江省1960—2019年气象干旱事件并构建三维干旱体结构，展现各年代不同等级干旱事件的时空分布格局与发展过程中的时空动态变化，在此基础上建立6项干旱时空演变特征变量，通过克里金插值法和趋势性分析，在多年时间序列中定量解析浙江省干旱事件时空演变特征。研究结果表明：1) 浙江省1960—2019年干旱历时不少于3个月的干旱事件有51场，夏旱和秋旱频率较高，干旱体结构提取法在浙江省具有较好的适用性；2) 干旱空间分布格局为1960—1969年和2000—2009年干旱严重区域主要分布在浙江省东北部，1970—1999年和2010—2019年之间干旱严重区域主要集中于浙江省西南部地区，干旱时空质心的迁移趋势与干旱严重区域的转移方向大致吻合；3) 浙江省干旱强度较强的时期为20世纪60年代和21世纪后，20世纪70年代干旱显著减弱，影响面积缩小，20世纪80—90年代干旱历时相比之前缩短，干旱强度较弱，自21世纪以后，干旱强度呈增加趋势，干旱强度和面积波动较大；4) 从整个时间序列看，浙江省干旱事件持续时间缩短，且区域影响范围也逐渐缩小，呈轻微减弱趋势，干旱体结构外形呈现出逐渐缩小的趋势，在空间地理位置上逐渐向东北方向迁移，干旱事件时空迁移的速率整体为上升趋势。